Systemy koloidalne są niezwykle ważne w życiu każdej osoby. Wynika to nie tylko z faktu, że prawie wszystkie płyny biologiczne w żywym organizmie tworzą koloidy. Ale wiele zjawisk naturalnych (mgła, smog), gleba, minerały, żywność, leki to także układy koloidalne.
Jednostką takich formacji, odzwierciedlającą ich skład i specyficzne właściwości, jest makrocząsteczka lub micela. Struktura tych ostatnich zależy od wielu czynników, ale zawsze jest to cząstka wielowarstwowa. Współczesna teoria kinetyki molekularnej uważa roztwory koloidalne za szczególny przypadek prawdziwych roztworów, z większymi cząstkami substancji rozpuszczonej.
Metody otrzymywania roztworów koloidalnych
Struktura miceli, która powstaje, gdy pojawia się układ koloidalny, częściowo zależy od mechanizmu tego procesu. Metody otrzymywania koloidów dzielą się na dwie zasadniczo różne grupy.
Metody dyspersji wiążą się z rozdrabnianiem raczej dużych cząstek. W zależności od mechanizmu tego procesu rozróżnia się następujące metody.
- Udoskonalanie. Można zrobić na sucho lubmokry sposób. W pierwszym przypadku ciało stałe jest najpierw kruszone, a dopiero potem dodawana jest ciecz. W drugim przypadku substancję miesza się z cieczą, a dopiero potem przekształca się w jednorodną mieszaninę. Mielenie odbywa się w specjalnych młynach.
- Obrzęk. Rozdrobnienie uzyskuje się dzięki temu, że cząsteczki rozpuszczalnika wnikają w fazę rozproszoną, czemu towarzyszy ekspansja jego cząsteczek aż do separacji.
- Dyspersja za pomocą ultradźwięków. Materiał do mielenia jest umieszczany w cieczy i poddawany działaniu ultradźwięków.
- Rozproszenie wstrząsu elektrycznego. Poszukiwany w produkcji zoli metalowych. Odbywa się to poprzez umieszczenie elektrod wykonanych z dyspergującego metalu w cieczy, a następnie przyłożenie do nich wysokiego napięcia. W rezultacie powstaje łuk elektryczny, w którym metal jest natryskiwany, a następnie skrapla się w roztwór.
Te metody są odpowiednie zarówno dla liofilizowanych, jak i liofobowych cząstek koloidalnych. Strukturę miceli przeprowadza się jednocześnie z niszczeniem pierwotnej struktury ciała stałego.
Metody kondensacji
Druga grupa metod opartych na powiększaniu cząstek nazywana jest kondensacją. Proces ten może opierać się na zjawiskach fizycznych lub chemicznych. Metody kondensacji fizycznej obejmują następujące.
- Wymiana rozpuszczalnika. Sprowadza się do przeniesienia substancji z jednego rozpuszczalnika, w którym bardzo dobrze się rozpuszcza, do innego, w którym rozpuszczalność jest znacznie niższa. W rezultacie małe cząsteczkipołączy się w większe agregaty i pojawi się roztwór koloidalny.
- Kondensacja pary. Przykładem są mgły, których cząsteczki są w stanie osiąść na zimnych powierzchniach i stopniowo się powiększać.
Metody kondensacji chemicznej obejmują pewne reakcje chemiczne, którym towarzyszy strącanie złożonej struktury:
- Wymiana jonowa: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Procesy Redox: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hydroliza: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Warunki kondensacji chemicznej
Struktura miceli powstających podczas tych reakcji chemicznych zależy od nadmiaru lub niedoboru substancji w nich zaangażowanych. Również dla pojawienia się roztworów koloidalnych konieczne jest przestrzeganie szeregu warunków, które zapobiegają wytrącaniu się trudno rozpuszczalnego związku:
- zawartość substancji w roztworach mieszanych powinna być niska;
- ich prędkość mieszania powinna być niska;
- jeden z rozwiązań należy przyjąć w nadmiarze.
Struktura miceli
Główną częścią miceli jest rdzeń. Składa się z dużej liczby atomów, jonów i cząsteczek nierozpuszczalnego związku. Zwykle rdzeń charakteryzuje się strukturą krystaliczną. Powierzchnia jądra posiada zapas energii swobodnej, co umożliwia selektywną adsorpcję jonów z otoczenia. Ten procesprzestrzega zasady Pieskowa, która mówi: na powierzchni ciała stałego adsorbowane są głównie jony zdolne do uzupełnienia własnej sieci krystalicznej. Jest to możliwe, jeśli te jony są spokrewnione lub mają podobny charakter i kształt (rozmiar).
Podczas adsorpcji na rdzeniu micelarnym tworzy się warstwa dodatnio lub ujemnie naładowanych jonów, zwanych jonami determinującymi potencjał. Pod wpływem sił elektrostatycznych powstały naładowany agregat przyciąga przeciwjony (jony o przeciwnym ładunku) z roztworu. Zatem cząsteczka koloidalna ma strukturę wielowarstwową. Micela uzyskuje warstwę dielektryczną zbudowaną z dwóch typów przeciwnie naładowanych jonów.
Hydrosol BaSO4
Jako przykład wygodnie jest rozważyć strukturę miceli siarczanu baru w roztworze koloidalnym przygotowanym w nadmiarze chlorku baru. Proces ten odpowiada równaniu reakcji:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Słabo rozpuszczalny w wodzie siarczan baru tworzy mikrokrystaliczny agregat zbudowany z m-tej liczby cząsteczek BaSO4. Powierzchnia tego agregatu adsorbuje n-tą ilość jonów Ba2+. Jony 2(n - x) Cl- są połączone z warstwą jonów określających potencjał. A reszta przeciwjonów (2x) znajduje się w warstwie dyfuzyjnej. Oznacza to, że granulka tej miceli będzie naładowana dodatnio.
Jeśli siarczan sodu jest przyjmowany w nadmiarze, tojony determinujące potencjał będą jonami SO42-, a przeciwjony będą Na+. W takim przypadku ładunek granulki będzie ujemny.
Ten przykład wyraźnie pokazuje, że znak ładunku granulki miceli zależy bezpośrednio od warunków jej przygotowania.
Nagrywanie miceli
Poprzedni przykład wykazał, że struktura chemiczna miceli i wzór, który ją odzwierciedla, są determinowane przez substancję, która jest przyjmowana w nadmiarze. Rozważmy sposoby zapisywania nazw poszczególnych części cząstki koloidalnej na przykładzie hydrozolu siarczku miedzi. Aby go przygotować, roztwór siarczku sodu powoli wlewa się do nadmiaru roztworu chlorku miedzi:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
Struktura miceli CuS uzyskanej powyżej CuCl2 jest zapisana w następujący sposób:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Strukturalne części cząsteczki koloidalnej
W nawiasach kwadratowych wpisz wzór trudno rozpuszczalnego związku, który jest podstawą całej cząstki. Jest powszechnie nazywany agregatem. Zwykle liczba cząsteczek tworzących agregat zapisywana jest łacińską literą m.
Jony determinujące potencjał są zawarte w nadmiarze w roztworze. Znajdują się one na powierzchni kruszywa, a we wzorze zapisuje się je bezpośrednio po nawiasach kwadratowych. Liczbę tych jonów oznaczono symbolem n. Nazwa tych jonów wskazuje, że ich ładunek określa ładunek granulki miceli.
Granulat składa się z rdzenia i częściprzeciwjony w warstwie adsorpcyjnej. Wartość ładunku granulki jest równa sumie ładunków przeciwjonów determinujących potencjał i zaadsorbowanych: +(2n – x). Pozostała część przeciwjonów znajduje się w warstwie dyfuzyjnej i kompensuje ładunek granulki.
Jeżeli Na2S wzięto w nadmiarze, to dla utworzonej miceli koloidalnej schemat struktury wyglądałby następująco:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micele surfaktantów
W przypadku, gdy stężenie substancji powierzchniowo czynnych (surfaktantów) w wodzie jest zbyt wysokie, mogą zacząć tworzyć się agregaty ich cząsteczek (lub jonów). Te powiększone cząstki mają kształt kuli i nazywane są micelami Gartleya-Rebindera. Należy zauważyć, że nie wszystkie środki powierzchniowo czynne mają tę zdolność, ale tylko te, w których stosunek części hydrofobowych do hydrofilowych jest optymalny. Ten stosunek nazywa się równowagą hydrofilowo-lipofilową. Istotną rolę odgrywa również zdolność ich grup polarnych do ochrony rdzenia węglowodorowego przed wodą.
Agregaty cząsteczek środka powierzchniowo czynnego powstają zgodnie z pewnymi prawami:
- w przeciwieństwie do substancji niskocząsteczkowych, których agregaty mogą zawierać różną liczbę cząsteczek m, istnienie miceli surfaktantów jest możliwe przy ściśle określonej liczbie cząsteczek;
- jeżeli dla substancji nieorganicznych początek micelizacji jest określony przez granicę rozpuszczalności, to dla organicznych środków powierzchniowo czynnych jest to określone przez osiągnięcie krytycznych stężeń micelizacji;
- najpierw zwiększa się liczba miceli w roztworze, a następnie ich rozmiar.
Wpływ koncentracji na kształt miceli
Struktura miceli surfaktantów zależy od ich stężenia w roztworze. Po osiągnięciu niektórych swoich wartości cząstki koloidalne zaczynają ze sobą oddziaływać. To powoduje, że ich kształt zmienia się w następujący sposób:
- sfera zamienia się w elipsoidę, a następnie w cylinder;
- duża koncentracja cylindrów prowadzi do powstania fazy heksagonalnej;
- w niektórych przypadkach pojawia się faza lamelarna i stały kryształ (cząsteczki mydła).
Rodzaje miceli
Wyróżnia się trzy typy układów koloidalnych w zależności od specyfiki organizacji struktury wewnętrznej: suspensoidy, koloidy micelarne, koloidy molekularne.
Suspensoidy mogą być nieodwracalnymi koloidami, a także koloidami liofobowymi. Struktura ta jest typowa dla roztworów metali, a także ich związków (różnych tlenków i soli). Budowa fazy rozproszonej utworzonej przez suspensoidy nie różni się od budowy substancji zwartej. Ma molekularną lub jonową sieć krystaliczną. Różnica w stosunku do zawieszeń to większa dyspersja. Nieodwracalność przejawia się w zdolności ich roztworów po odparowaniu do tworzenia suchego osadu, którego nie można przekształcić w zol przez proste rozpuszczenie. Nazywa się je liofobowymi ze względu na słabą interakcję pomiędzy fazą rozproszoną a ośrodkiem dyspersyjnym.
Koloidy micelarne to roztwory, w których tworzą się cząstki koloidalnepodczas przyklejania cząsteczek difilowych zawierających polarne grupy atomów i niepolarne rodniki. Przykładami są mydła i środki powierzchniowo czynne. Cząsteczki w takich micelach są utrzymywane przez siły dyspersyjne. Kształt tych koloidów może być nie tylko kulisty, ale również płytkowy.
Koloidy molekularne są dość stabilne bez stabilizatorów. Ich jednostki strukturalne to pojedyncze makrocząsteczki. Kształt cząstki koloidalnej może się różnić w zależności od właściwości cząsteczki i oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych. Tak więc cząsteczka liniowa może utworzyć pręt lub cewkę.
